电机寿命试验故障研究——以一款460V电机为例

电机寿命试验故障研究——以一款460V电机为例

江泽艳

中山大洋电机股份有限公司广东省中山市   528400

摘要：一款460V单相小功率电机寿命试验故障，从热（Thermal)、电(Electrical)、环境(Ambient)、机械(Mechanical)TEAM四大应力进行分析，确定了电应力是导致失效的原因。通过漆包线漆膜厚度的增加，提升了Pp值，满足寿命试验。

关键词：电机；寿命试验；故障；Pp

小功率电机作为一个动力源,应用十分广泛，包括空调、风扇、水泵、洗衣机等。电机是这些产品的关键部件，其可靠性直接决定了家电产品的质量和技术水平。本文对一款460V故障电机进行了研究，对电机质量及技术水平的提升，具有重要意义。

1、电机故障现象

一款交流单相460V新品电机，采用QZ-2/155 ∅0.21mm漆包线，按要求开展试验:10台电机安装在60℃试验房中，采用1.1倍额定电压（506V)带负载运行，要求通过2000小时连续运行试验。试验电机运行到1000小时后，电机陆续出现故障停机，运行2000小时后10台电机全部失效。将电机零部件拆解分析，定、转子没有擦边痕迹，轴承完好，槽纸完好,绕组端部漆包线发黑烧毁。需要对这款故障电机进行失效分析及改善验证。

2、电机故障分析

造成绕组失效的有TEAM四大应力：热（Thermal)、电(Electrical)、环境(Ambient)、机械(Mechanical)，从四个方面应力进行进行逐一排查及分析。

2.1、热（Thermal)影响分析

按GB 12350绝缘结构要求，在相应的温度指数下运行时，其热寿命不低于2万小时，比如，F级绝缘结构在155℃运行时，其耐热寿命应不低于2万小时。

此款电机是F级绝缘结构等级，绕组采用155℃温控器保护，在110V/220V电机上有大批量使用的，并没有异常发生，可以认为其在155℃时运行，其耐热寿命超过2万小时的。故障电机运行到1000-2000小时全部烧机，可以排除热应力的影响。

2.2、环境(Ambient)影响分析

众所周知，在特定的应用环境中，环境因子充当老化因子，降低电机的使用寿命，环境因子包括：工业环境中化学/物理活性或导电介质；含水量异常高的周围空气；霉菌或者微生物污染的环境；冷空气中机械研磨性的材料（如金属粉末）.

排查试验环境，不存在引起绝缘失效的老化因子。另外，也有一款220V的电机在同一试验房中，运行2000小时，未发现异常。因而，可以确定试验环境不是造成此款电机故障烧机的原因。

2.3、机械振动影响分析

机械老化是振动应力的结果，振动应力是运行期间大量负载改变引起的电动力或者热机械力导致的。机械应力在成形绕组电机中体现特别明显，而本次故障电机属于散嵌绕组电机，且槽满率适中，不存在绕组线在槽内滑动的可能，且烧机部位属于绕组端部。可以确定机械(Ambient)振动不是造成此款电机故障烧机的原因。

2.4、电应力影响分析

通常来讲，额定电压不超过700V的电动机绕组，不存在局部放电（Pp),50HZ/60HZ工频电应力对绝缘老化的影响可以不用考虑。在这种低电压的定子绕组中，绝缘厚度基本上取决于机械方面的考虑，即绝缘必须要足够厚，以承受线圈绕组的严酷环境和绕组运行期间所受机械力。然而，前面观点通常指散嵌绕组漆包线较粗，漆膜较厚，本次研究的对象线径较细，漆膜较薄，相对电压值也较高，该观点是否适用需要进一步验证探讨。

在电机使用过程中，如果不存在局部放电，电应力引起的绝缘老化可以不做考虑。如果存在局部放电，电应力就会引起绝缘快速老化，遵循负幂函数。

L=cE-n

式中，L指绝缘寿命（小时）；E指电场强度水平（KV/mm),用电压/绝缘厚度。C是常数；n被称做幂律常数，一般为9-12。似定n=10时，电场强度增加2倍，绝缘寿命缩短1000倍，可见电场强度对寿命影响巨大。

电应力包括电压幅值、电压频率。该款电机电压频率为50HZ,可以排除频率对失效的影响。运行电压幅值是460V*1.1,即506V,通过前面的负幂函数分析可知，电压幅值的增加对寿命影响很明显。该款电机漆包线采用QZ-2/155 ∅0.21mm漆包线，线径较细，漆膜较薄。电压高，线径细，漆膜薄，E电场强度=电压/绝缘厚度，分子大，分母小，相应电场强度值大，对寿命为负幂函数关系，影响巨大。

电场强度与寿命为负幂函数关系，是基于一个阀值，即线圈存在局部放电（Pp)。为确定漆包线是否产生局部放电，采用该款电机的漆包线QZ-2/155 ∅0.21mm，按GB 4074.5制作成扭绞对，采用工频Pp进行测试，100PC进行判定,测试数据见表1。

从以上数据可以看出，漆包线发生局部放电Pp值平均为467V，该款电机在1.1倍额定电压时（506V）时，已经处于局部放电状态，所以，电场强度很容易造成快速老化，是此次绝缘老化的主要原因。

3、电机故障改善验证

3.1 3级漆膜与2级漆膜工频耐压对比

GB/T 6109.1规范漆膜厚度三个等级:1级薄漆膜、2级厚漆膜、3级特厚漆膜。漆膜厚度等级数字越大，表示漆膜越厚。本次试验用漆包线QZ-2/155 ∅0.21mm，采用2级厚漆膜，这种漆膜厚度居中，在小功率电机行业内使用普遍。查看GB/T 6109.1，0.21漆包线2级漆膜工频耐压>3500V,3级漆膜工频耐压5100V.3级漆膜比2级漆膜工频耐压增加了46%，漆膜厚度增加，耐压值增加相当明显。

3.1 3级漆膜与2级漆膜Pp值对比

故障电机用2级膜厚漆包线，与3级膜特厚漆包线分别制作扭绞对，分别测试局部放电Pp值（见表2）.

对以上测试数据进行分析可以看出：

1、3级漆膜漆包线比2级漆膜漆包线漆膜厚0.012mm。

2、3级漆膜漆包线Pp为566V,2级漆膜漆包线467V,增加了近100V，对Pp值提升很明显，也超出了实际电机运行506V的试验电压值。

3.1 采用3级漆膜漆包线进行整机寿命试验

将漆包线改成3级漆膜厚度，制作10台电机安装在60℃试验房中，采用1.1倍额定电压（506V)下带负载运行，要求通过2000小时连续运行试验,全部通过试验，没有失效，继续运行1000小时，也未发生故障。

结语：基于一款细线径460V电机寿命试验故障现象，进行TEAM的四大应力分析，排除了热应力、环境应力、机械振动应力的影响，对该款电机0.21mm漆包线的Pp值测试，低于电机实际运行电压，确定电应力造成本次电机故障的原因。通过将该款电机0.21mm漆包线漆膜由2级提升为3级，漆膜厚度增加，Pp值提升近100V，全部电机通过3000小时寿命试验。说明本次故障电机分析方向正确，改善方案有效，对于同类电机的绝缘设计及故障分析具有一定借鉴价值。

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